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第四章 非金属及其化合物 第一节 无机非金属材料的主角硅教学重点：SiO2的性质教学难点：SiO2的结构、硅酸盐的组成知识梳理在地壳里，硅的含量在所有元素中居第次于氧全部以 态存在。硅元素位于元素周期表中的第周期，族：其原子结构示意图：。一、二氧化硅及硅酸1、二氧化硅(1)物理性质:二氧化硅广泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分就是二氧化硅，SiO2不溶于水，熔点、硬度。水晶、石英是二氧化硅晶体。(2)结构:二氧化硅晶体是由硅原子和氧原子构成的，晶体中硅原子和氧原于的个数比为，Si02晶体的平面结构图：(3)二氧化硅出化学性质酸性氧化物的性质:Si02是酸性氧化物，是 的酸酑，于水。常温下Si02与NaOH溶液反应得到硅酸钠(Na2SiO3)，反应的化学方程式为：。 高温下Si02能和碱性氧化物(如CaO)反应生成硅酸盐，反应的化学方程式为：。 常温下，SiO2能与氢氟酸(HF)反应，此反应常用于刻蚀玻璃，反应的化学方程式为：。 二氧化硅的弱氧化性:Si02高温下与C作用可制取粗硅，反应的化学方程式为：。(4)二氧化硅的用途 :Si02是制造光导纤维的主要原料。Si02常被用来制造石英表中的压电材料(3)Si02用于制造各种玻璃制品。思考:(1)实验室为什么不用带玻璃塞的试剂瓶盛放NaOH溶液?应用什么样的塞子?(2)Si02不溶于水，如何由Si02制取H2SiO3?2、硅酸(1)硅酸(H2Si03)硅酸不溶于水，其酸性比碳酸的酸性。(2)硅酸钠(Na2Si03): Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，常用作黏合剂。往Na2SiO3溶液中通人CO2，能制得硅酸，反应的化学方程式：。二、硅酸盐1、硅酸盐制品性质稳定、熔点较高，大都难溶于水，(1)硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。表示顺序为：活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸钠(Na2Si03)改写为氧化物形式为：；钠长石： (NaAlSi308)改写为氧化物形式为。(2)玻璃生产原料：。生产设备：。生产过程：把原料粉碎并按适当比例混合后，放人玻璃熔炉中加热、熔化，冷却后得到普通玻璃。主要的化学反应有：。 主要成分：普通玻璃是Na2Si03、CaSi03和SiO2在一起的混合物。重要性质：玻璃在常温下呈固态，没有固定的熔点，受热在一定温度范围内逐渐软化。玻璃的种类：铅玻璃(用于制光学仪器)；有色玻璃蓝色钴玻璃(Co202)、红色玻璃(Cu2O)；钢化玻璃(用于汽车车窗)： (3)水泥：水泥是重要的建筑材料，其主要成分是，水泥具有性。 (4)陶瓷：陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料，高温结构陶瓷，如氮化硅(Si3N4)陶瓷，碳化硅(SiC)陶瓷等。生物陶瓷：如氧化铝陶瓷(A1203)，氧化锆陶瓷(Zr02) 等； 压电陶瓷：以钛酸钡(BaTi03)和钛酸铅(PbTi03)为主要成分。三、硅单质1、硅的物理性质单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是色、有光泽、脆而硬的固体，是良好的材料。2硅的化学性质(1)常温下硅的化学性质稳定，但能和氟(HF)、强碱(NaOH)发生反应。硅和氟气反应生成四氟化硅气体，化学方程式为：。硅和氢氟酸反应生成四氟化硅，放出学方程式为：。 硅与NaOH溶液作用生成硅酸钠，反应的化学方程式为：。(2)在加热条件下，硅能和某些非金属单质发生反应。硅与氧气在加热时反应生成二氧化硅程式为：。 硅和C12在加热条件下反应生成四氯的化学方程式为：。3硅的制取：自然界中没有游离态的硅，常见的化合态的硅有和等。工业上，用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含有少量杂质的粗硅。反应的化学方程式：。在该反应中，氧化荆是，还原剂。4硅主要的用途：硅可以用来制造、等。四、小结：比较SiO2、CO2在物理化学性质上异同。二氧化碳二氧化硅状态溶解性与NaOH反应与酸反应(HF)CO2通入水玻璃SiO2与Na2CO3高温下反应疑难点拨一、 硅及其化合物的有哪些特性？1.Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2+2C=Si+2CO2.非金属与碱反应一般无氢气放出，但Si可以：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H23.非金属单质一般不与无氧酸反应 ，但Si可以与HF作用：Si+4HF=SiF4+2H24.非金属单质一般为非导体，但Si可以作为半导体。5.SiO2是硅酸的酸酐，但不溶于水，不能直接与水作用生成硅酸。6.非金属的氧化物的熔点一般较低，但二氧化硅的熔点很高，原因是它为原子晶体。7.酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2可以与HF酸作用： SiO2+4HF=SiF4+2H2O8.硅酸不溶于水。二、为什么玻璃没有固定的熔点？有规则空间排列的晶体是有固定熔点的。玻璃是一种玻璃态物质，玻璃态是介于结晶态与无定形之间的一种物质状态。它的结构特点是：它的粒子不象晶体那样有严格的空间排列，但又不象无定形那样无规则排列。人们把玻璃态的这种结构特征称为“短程有序而远程无序”。即从小范围来看，它有一定的晶体排列，但从整体上看，却像无定形物质那样无晶形的排列规律。所以，玻璃态物质没有固定的熔点，而是在一定的温度范围内逐渐软化而变化为液态。三、玻璃瓶塞会跟NaOH等碱性溶液反应，为什么NaOH溶液还能用玻璃瓶盛装？由于玻璃不是简单的Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2机械混合物,它们相互结合为多聚硅酸的长链,金属阳离子处于无规则的多聚硅酸的长链包围之中。所以玻璃中的Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2不是独立存在的，即玻璃中SiO2与一般所说的是有区别的。瓶口内侧与瓶塞都是经过磨砂处理的，表面粗糙，造成碱性的液体容易滞留，并且水分蒸发，碱液浓度增大，促使二者更易反应。其他部位因表面光滑而难于反应。由于从组成和结构上看多聚硅酸的长链与SiO2相似，所以通常把玻璃跟NaOH等碱性溶液反应简单地看成SiO2与碱溶液的反应。四、二氧化硅与碳酸钠和碳酸钙反应的原因？玻璃工业生产的主要原理是在强热的条件下发生：Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 ，CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 上述反应都是在高温条件下进行的，有利于二氧化碳从体系中挥发出来，而二氧化硅不行，所以反应可以进行。符合难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理。所以上述反应不与“Na2SiO3 + CO2+H2O= Na2CO3+ H2SiO3”矛盾，因为后者是在溶液中进行的，符合复分解反应的原理。五、怎样用氧化物来表示硅酸盐？氧化物的顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水，氧化物前系数的确定：除氧元素外，其他的元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。注意事项：氧化物之间用“”隔开；系数配置出现分数应化为整数。如：正长石KAlSi3O8要写成K2OAl2O36SiO2形式。六、碳族元素化合价有哪些特点？碳族元素主要化合价为+2和+4，非金属元素还有-4价。其中Pb+2价稳定；其余的+4价稳定。典例剖析【例1】向下列物质的浓溶液中缓慢地通入过量CO2气体，整个过程中无明显现象的是 A水玻璃 B苯酚钠 C漂白粉 D饱和碳酸钠 E氯化钙解析： CO2溶于水生成碳酸，碳酸的酸性比盐酸弱，而比硅酸、次氯酸、苯酚强。根据酸与盐反应的规律（弱酸不能制强酸），过量CO2通入硅酸钠溶液中有白色沉淀H2SiO3生成，CO2通入苯酚钠溶液中会生成苯酚浊液；CO2通入次氯酸钙溶液过程中会生成碳酸钙白色沉淀，CO2过量最终沉淀会消失；过量CO2通入饱和碳酸钠溶液会生成碳酸氢钠，碳酸氢钠溶解度比碳酸钠溶解度小而结晶析出；CO2通入氯化钙溶液无明显现象。 答案：E。规律总结： 此题易出错的地方有三个：CO2通入氯化钙溶液无明显现象；题干中CO2是过量的；碳酸氢钠因溶解度小而结晶析出。【例2】将足量CO2通人KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量（n）和通入CO2体积（y）的关系正确的是A B C D解析：CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合溶液中，首先发生反应CO2+2OH+Ca2=CaCO3+H2O，此段时间内随着CO2的不断通入，沉淀量逐渐增加；等Ca(OH)2反应完，溶液中还剩余OH，再通CO2，即发生反应：CO2+2KOH=K2CO3+H2O，此段时间内，随着CO2的不断通入，沉淀量保持不变; 等KOH反应完，继续通CO2，即发生反应：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，沉淀量逐渐减少，一直到沉淀完全溶解。D图象符合题意。实际上这里还有一个定量关系：完全生成碳酸钙沉淀所需的CO2的体积和使碳酸钙沉淀完全溶解所需的CO2的体积相等。答案：D。 规律总结：遇到通入气体沉淀又溶解的这类题，首先联想到碳酸盐，亚硫酸盐转化为酸式盐，当全部转化为正盐时，如有OH，则应把OH中和完毕，酸式盐再转化为正盐。【例3】Fe3O4若看作“混合氧化物”时可写成FeOFe2O3，若看作一种盐时又可写成Fe(FeO2)2根据化合价规则和这种书写方法，Pb3O4可以分别写成_和_。解析: Fe元素有2、3价，Fe3O4中有1/3Fe元素为2价，2/3Fe元素为3价与Fe元素不同，铅是2价、4价按化合价规则及题中要求的写法(即低价在前，高价在后，且高价元素形成酸根)，故Pb3O4应改写为下列两种形式2PbOPbO2和Pb2PbO4。【例4】草酸晶体与浓硫酸共热可制得CO，其化学方程式如下：H2C2O4 CO+CO2+H2O，现利用该反应制取CO气体，要求：a验证CO还原性及其氧化产物。b剩余气体CO不能排入大气中，并回答有关问题：（1）试从图中选用几种装置（有些可重复使用）连接成一套实验装置，所选用的装置及连接顺序为 。（2）用简洁的文字说明所选的装置，如何达到上述两要求：a ；b 。（3）在装置C中的化学反应方程式为 。（4）本实验有四个酒精灯A、B、C、H，正确操作时点燃酒精灯的顺序是 ；试简单说明理由； 。熄灭酒精灯的顺序是 ；试简单说明理由： 。（5）用有效气体还原0.40g将生成的气体通入过量澄清石灰水中，生成0.75g白色沉淀，则 中 值是 ， 值是 。解析：在制取气体时，根据方程式：H2C2O4 CO+CO2+H2O,可知这是一个固体与液体物质在加热条件下制取气体的反应，应选装置A。因为草酸在加热中分解生成CO时，同时有CO2 和H2O生成，若不除去则影响CO还原性和进行氧化产物CO2 的鉴定。可选用装有苛性钠的U型管以吸收混合气体中的CO2 ，同时还要配以装有澄清石灰水的装置E。当气体通过G装置后进行装置E无浑浊出现，说明混合气体中CO2 已除尽，然后通过装有浓H2SO4 的洗气瓶进行干燥，才能进入装置C与 反应，证明CO的还原性。在C中反应生成Fe和CO2 ，证明生成了CO2 ，只能再次选用装置E，其中溶液在气体通过后出现浑浊，证明在反应中已生成了CO2 ，这就说明了CO的还原性，CO在反应中被氧化为CO2 ，剩余CO不能向空气中排放，无其他试剂可以将其吸收，所以将尾气在H处点燃，使未反应的CO转化为CO2 。实验中有三处装置使用酒精灯，即A、C、H。正确操作点燃酒精灯的顺序应为AHC。使分解产生的气体将系统内的空气排净，防止加热时发生爆炸，而熄灭酒精灯的顺序应为CAH。这是因为要使已被还原的铁粉在CO的气流中冷却，以防止再被氧化影响实验结果。实验最后给出测定的有关数值，要求确定 中的 和 值： 中含氧原子的物质的量： ,故 答案：(1)AGEFCEH(2)a草酸分解气体通过装置E时无白色沉淀生成说明其中所含CO2 已除尽，通过装置C反应后气体通过第二个装置E时出现白色沉淀，说明CO的氧化产物为CO2 。b尾气在装置H处点燃，使剩余的CO转化为CO2 (3) (4)AHC，使分解产生的气体把实验系统内的空气排尽，防止加热时引起爆炸CAH，使热的铁粉在CO气流中冷却，防止铁粉再次被氧化(5)2、3
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